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    技術文章

    接觸角評估油脂抗污染效果

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    潤滑脂是由增稠劑、添加劑和基礎油組成的高度復雜的潤滑劑,廣泛應用于各種機械設備和工業領域中,其主要作用是減少摩擦、磨損和腐蝕,提高設備的性能和壽命。許多潤滑脂潤滑的機械部件在潮濕的環境中運行,使它們容易受到水污染。有研究表明,潤滑脂中僅存在1%的水污染,軸承的壽命就會減少90%。

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    油脂的工作壽命深受水等污染物的影響,污染物會改變油脂的化學結構,降低油脂的流變性能,進而對機械部件的性能產生負面影響。水污染會觸發幾種結構和化學機制,導致油脂過早失效。因此,選擇抗污染效果更好的潤滑脂,可以有效延長重要部件/機械的安全工作運行。

    潤滑脂的疏水或吸水能力取決于其表面活性成分的疏水/親水性質以及潤滑脂中基礎油的類型。該技術利用潤滑脂結構中與表面活性極性組分相互作用的化學原理,來評估潤滑脂在水存在下的行為。

    測定潤滑脂疏水性的一種簡單而有效的方法是測量水滴在潤滑脂表面的接觸角。測定潤滑脂疏水性的一種簡單而有效的方法是測量水滴在潤滑脂表面的接觸角。實驗使用七種不同類型的市售NLGI 2級潤滑脂,所用潤滑脂的詳細信息見表1。

    表1. 潤滑脂名稱與增稠劑和基礎油類型

    潤滑脂名稱

    增稠劑類型

    基礎油類型

    LiC-m

    鋰與二硫化鉬配合物

    礦物油

    LiC-P

    鋰與二硫化鉬和石墨的配合物

    Poly-alpha-olefn石油

    CaS

    磺酸鈣

    礦物油

    PU

    聚脲

    礦物油

    Si

    有機硅加PTFE

    合成油

    AlC

    鋁絡合物

    礦物油

    WLi

    白色的鋰

    礦物油

    為了測量水滴在油脂表面的接觸角,使用了光學接觸角儀。在實驗過程中,要測試的油脂樣品被放置在可調節的樣品臺上,并且使用可調節的旋鈕將樣品臺的高度設置為水平。使用10µl注射器將水滴置于油脂表面,并使用可調鏡頭調節水滴的焦距和變焦距離。液滴的圖像是用附著在液滴上的相機捕獲的。單色藍光提供了液滴清晰的黑色圖像。從捕獲的圖像中,通過內置軟件計算接觸角θ。

    潤滑脂是一種結構復雜的半固體物質。當水滴被放置在油脂表面時,它傾向于擴散和/或被油脂吸收。因此,液滴的大小和接觸角值隨時間而變化。

    為了解決這些問題,以3幀/秒的速度記錄了液滴的視頻,并分析了不同間隔下的圖像接觸角。液滴的接觸角值是使用儀器軟件中提供的長度/寬度方法確定的。在這種方法中,將矩形的長度和寬度分別手動調整為液滴的邊緣和峰值點(見圖1)。

    圖1. 含水滴的菱形槽及接觸角示意圖

    為了獲得更可靠的結果,確定了菱形槽邊緣的兩個液滴的接觸角值。對于每種類型的潤滑脂,至少取了9組讀數。

    圖2顯示了原始li -m潤滑脂的三組測量結果。該圖還提供了在5、30、60、150和300秒時捕獲的水滴圖像。從圖中可以看出,接觸角隨時間的變化,在前150秒內,接觸角呈非線性下降,之后,接觸角的變化率變小,呈線性變化。有趣的是,在過程的前45秒內,樣品之間接觸角值的變化有些分散,但在此之后變得穩定。

    圖2. LiC -m潤滑脂的接觸角值和水滴像

    同樣,PU、CaS和WLi潤滑脂的接觸角值和捕獲的液滴圖像分別如圖3所示。在所有情況下,接觸角的變化都是相似的,表現出一種非線性的瞬態行為,在150s后趨于穩定。

    圖3. CaS, PU和WLi潤滑脂的接觸角值和水滴圖像

    現在,參照圖2和圖3所示的接觸角值,可以得出以下一般性的觀察結果。(1)接觸角值隨時間減小;(2)接觸角值在不同樣本之間的變化在60 s之前趨于分散,但在60 s之后趨于不變;(3)接觸角值在150 s之前呈非線性下降,隨后趨于穩定,并以較低的變化率線性下降。在60 s時,確定了所有9個潤滑脂樣品的接觸角平均值,并繪制在圖4中。

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    圖4. 平均接觸角(60秒)

    結果表明,LiC - P和Si潤滑脂的接觸角值大于90°,而CaS潤滑脂的接觸角值近似等于90°。這表明水滴作為自由水在油脂表面停留的時間較長。對于LiC -m潤滑脂,θ<90°,而對于PU、AlC和WLi潤滑脂,θ?90°,表明潤滑脂擴散或被潤滑脂吸收得更快。接觸角結果表明,其疏水性能的順序為: LiC-P > Si > CaS > LiC-m > AlC > PU > WLi。

    參考文獻:

    [1] Lijesh, K. P., Khonsari, M. M., Miller, R. A., Assessment of Water Contamination on Grease Using the Contact Angle Approach[J]. Tribology Letters. 2020, 103.


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